JP2005340026A - Electrolyte liquid and battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フッ化ベンゼンを含む電解液およびそれを用いた電池に関する。 The present invention relates to an electrolytic solution containing fluorinated benzene and a battery using the same.
近年、ノート型携帯用コンピュータ,携帯電話あるいはカメラ一体型VTR(ビデオテープレコーダ)などの携帯用電子機器が多く登場し、その小型軽量化が図られている。それに伴い、これらの携帯用電子機器の電源として、軽量で高エネルギー密度を得ることができる二次電池の開発が進められている。高エネルギー密度を得ることができる二次電池としては、例えば、負極活物質として炭素材料などのリチウム(Li)を吸蔵および放出することが可能な材料を用いたリチウムイオン二次電池や、あるいは負極活物質として金属リチウムを用いたリチウム金属二次電池が知られている。 In recent years, many portable electronic devices such as notebook portable computers, cellular phones, and camera-integrated VTRs (video tape recorders) have appeared, and their size and weight have been reduced. Accordingly, as a power source for these portable electronic devices, development of a secondary battery that is lightweight and capable of obtaining a high energy density is in progress. As a secondary battery capable of obtaining a high energy density, for example, a lithium ion secondary battery using a material capable of inserting and extracting lithium (Li) such as a carbon material as a negative electrode active material, or a negative electrode A lithium metal secondary battery using metal lithium as an active material is known.
これらリチウムイオン二次電池あるいはリチウム二次電池では、従来より、電池特性を向上させるために、電解液に種々の添加剤を添加することが検討されている。このような添加剤としては、例えばヘキサフルオロベンゼンが提案されており、これにより過充電を防止する効果が得られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、ヘキサフルオロベンゼンでは過充電を防止することはできるものの、近年求められているようなサイクル特性は得られず、サイクル特性を向上させる電解液の開発が切望されていた。 However, although hexafluorobenzene can prevent overcharge, the cycle characteristics that have been required in recent years cannot be obtained, and the development of an electrolyte solution that improves the cycle characteristics has been eagerly desired.
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、高容量で、サイクル特性に優れた電池およびそれに用いる電解液を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a battery having a high capacity and excellent cycle characteristics and an electrolytic solution used therefor.
本発明による電解液は、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種のフッ化ベンゼンを含むものである。 The electrolytic solution according to the present invention contains at least one fluorinated benzene selected from the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene and pentafluorobenzene.
本発明による電池は、正極および負極と共に電解液を備えたものであって、電解液は、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種のフッ化ベンゼンを含むものである。 A battery according to the present invention includes an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode, and the electrolyte solution includes at least one fluorinated compound selected from the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene, and pentafluorobenzene. Contains benzene.
本発明の電解液によれば、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種のフッ化ベンゼンを含むようにしたので、例えば、本発明の電池に用いた場合、容量を高く保ちつつ、サイクル特性を向上させることができる。 According to the electrolytic solution of the present invention, since at least one kind of fluorinated benzene in the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene and pentafluorobenzene is included, for example, the battery of the present invention When used, the cycle characteristics can be improved while keeping the capacity high.
特に、フッ化ベンゼンの含有量を、含まれるフッ化ベンゼンについて1種ごとに0.0001質量%以上0.1質量%以下とすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, when the content of fluorinated benzene is 0.0001 mass% or more and 0.1 mass% or less for each type of fluorinated benzene contained, a higher effect can be obtained.
更に、電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な負極活物質として、金属元素の単体,合金および化合物と、半金属元素の単体,合金および化合物とからなる群のうちの少なくとも1種を用いた場合に特に高い効果を得ることができる。 Furthermore, as the negative electrode active material capable of occluding and releasing the electrode reactant, at least one member selected from the group consisting of simple elements, alloys and compounds of metal elements and simple elements, alloys and compounds of metalloid elements is used. In particular, a high effect can be obtained.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態に係る二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、負極の容量が、電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるものであり、いわゆるリチウムイオン二次電池である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、帯状の正極21と負極22とがセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、例えばニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a secondary battery according to the first embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium as an electrode reactant. This secondary battery is a so-called cylindrical type, and a
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
巻回電極体20の中心には例えばセンターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
For example, a center pin 24 is inserted in the center of the
図2は図1に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
FIG. 2 shows an enlarged part of the spirally
正極活物質層21Bは、正極活物質として、例えば電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料を含んで構成されている。すなわち、正極21の容量は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出による容量成分を含んでいる。
The positive electrode
リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極材料としては、例えば、硫化チタン(TiS2 ),硫化モリブデン(MoS2 ),セレン化ニオブ(NbSe2 )あるいは酸化バナジウム(V2 O5 )などのリチウムを含有しない金属硫化物あるいは金属酸化物などが挙げられる。また、Lix MO2 (式中、Mは一種以上の遷移金属を表し、xは電池の充放電状態によって異なり、通常0.05≦x≦1.10である)を主体とするリチウム複合酸化物なども挙げられる。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Mとしては、コバルト、ニッケル、マンガン等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、LiCoO2 ,LiNiO2 ,Liy Niz Co1-z O2 (式中、y,zは電池の充放電状態によって異なり、通常0<y<1,0.7<z<1.02である)、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物等を挙げることができる。 Examples of the positive electrode material capable of inserting and extracting lithium include lithium such as titanium sulfide (TiS 2 ), molybdenum sulfide (MoS 2 ), niobium selenide (NbSe 2 ), and vanadium oxide (V 2 O 5 ). And metal sulfides or metal oxides that do not contain. Further, lithium complex oxidation mainly composed of Li x MO 2 (wherein M represents one or more transition metals, x is different depending on the charge / discharge state of the battery, and is generally 0.05 ≦ x ≦ 1.10. Examples include things. As the transition metal M constituting the lithium composite oxide, cobalt, nickel, manganese and the like are preferable. Specific examples of such a lithium composite oxide include LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li y Ni z Co 1-z O 2 (where y and z vary depending on the charge / discharge state of the battery, and generally 0 <y < 1) <0.7 <z <1.02, and a lithium manganese composite oxide having a spinel structure.
正極活物質層21Bは、また、例えば導電剤を含んでおり、必要に応じて更に結着剤を含んでいてもよい。導電剤としては、例えば、黒鉛,カーボンブラックあるいはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、1種または2種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料あるいは導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。結着剤としては、例えば、スチレンブタジエン系ゴム,フッ素系ゴムあるいはエチレンプロピレンジエンゴムなどの合成ゴム、またはポリフッ化ビニリデンなどの高分子材料が挙げられ、1種または2種以上が混合して用いられる。 The positive electrode active material layer 21B also contains, for example, a conductive agent, and may further contain a binder as necessary. Examples of the conductive agent include carbon materials such as graphite, carbon black, and ketjen black, and one kind or a mixture of two or more kinds is used. In addition to the carbon material, a metal material or a conductive polymer material may be used as long as it is a conductive material. Examples of the binder include synthetic rubber such as styrene butadiene rubber, fluorine rubber or ethylene propylene diene rubber, or a polymer material such as polyvinylidene fluoride, and one or two or more kinds are used in combination. It is done.
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構成を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
The
負極活物質層22Bは、負極活物質として、例えば電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されており、必要に応じて、例えば正極活物質層21Bと同様の結着剤を含んでいてもよい。すなわち、負極22の容量は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出による容量成分を含んでいる。
The negative electrode active material layer 22B includes one or more negative electrode materials capable of inserting and extracting lithium, which is an electrode reactant, for example, as a negative electrode active material. For example, the binder similar to the positive electrode active material layer 21B may be included. That is, the capacity of the
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、炭素材料,金属酸化物あるいは高分子材料などが挙げられる。炭素材料としては、人造黒鉛,天然黒鉛,熱分解炭素類,コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼結体、繊維状炭素、活性炭、カーボンブラック類あるいは難黒鉛化性炭素などが挙げられる。コークス類としては、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスなどが挙げられる。なお、有機高分子化合物焼結体とは、フェノール類やフラン類などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいう。また、金属酸化物としては、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデン、酸化スズあるいは酸化タングステンなどが挙げられ、高分子材料としては、ポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include carbon materials, metal oxides, and polymer materials. Carbon materials include artificial graphite, natural graphite, pyrolytic carbons, cokes, graphites, glassy carbons, organic polymer compound sintered bodies, fibrous carbon, activated carbon, carbon blacks, or non-graphitizable carbon Etc. Examples of the coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. The organic polymer compound sintered body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as phenols or furans at an appropriate temperature. Examples of the metal oxide include iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tin oxide, and tungsten oxide. Examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムと合金を形成可能な金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が挙げられる。これらは高いエネルギー密度を得ることができるので好ましく、特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れた充放電サイクル特性を得ることができるのでより好ましい。なお、本明細書において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とからなるものも含める。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include simple elements, alloys, and compounds of metal elements or metalloid elements capable of forming an alloy with lithium. These are preferable because a high energy density can be obtained. In particular, when used together with a carbon material, a high energy density can be obtained and excellent charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Note that in this specification, alloys include those composed of one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
このような金属元素あるいは半金属元素としては、スズ(Sn),鉛(Pb),アルミニウム,インジウム(In),ケイ素(Si),亜鉛(Zn),アンチモン(Sb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),マグネシウム(Mg),ホウ素(B),ガリウム(Ga),ゲルマニウム(Ge),ヒ素(As),銀(Ag),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y)またはハフニウム(Hf)が挙げられる。これらの合金あるいは化合物としては、例えば、化学式Mas Mbt で表されるものが挙げられる。Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、MbはMa以外の元素のうちの少なくとも1種を表す。また、sおよびtの値はそれぞれs>0、t≧0である。 Examples of such metal elements or metalloid elements include tin (Sn), lead (Pb), aluminum, indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), antimony (Sb), bismuth (Bi), and cadmium. (Cd), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), zirconium (Zr), yttrium (Y) or hafnium (Hf). It is done. These alloys or compounds, for example, those represented by a chemical formula Ma s Mb t. Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, and Mb represents at least one of elements other than Ma. The values of s and t are s> 0 and t ≧ 0, respectively.
中でも、長周期型周期表における14族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、より好ましいのはケイ素あるいはスズ、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
Among them, a simple substance, alloy or compound of a
このような合金あるいは化合物について具体的に例を挙げれば、SiB4 ,SiB6 ,Mg2 Si,Mg2 Sn,Ni2 Si,TiSi2 ,MoSi2 ,CoSi2 ,NiSi2 ,CaSi2 ,CrSi2 ,Cu5 Si,FeSi2 ,MnSi2 ,NbSi2 ,TaSi2 ,VSi2 ,WSi2 ,ZnSi2 ,SiC,Si3 N4 ,Si2 N2 O,SiOv (0<v≦2),SnOw (0<w≦2),SnSiO3 ,LiSiO,LiSnOあるいはCu−Sn合金などがある。 Specific examples of such alloys or compounds include SiB 4 , SiB 6 , Mg 2 Si, Mg 2 Sn, Ni 2 Si, TiSi 2 , MoSi 2 , CoSi 2 , NiSi 2 , CaSi 2 , CrSi 2. , Cu 5 Si, FeSi 2 , MnSi 2 , NbSi 2 , TaSi 2 , VSi 2 , WSi 2 , ZnSi 2 , SiC, Si 3 N 4 , Si 2 N 2 O, SiO v (0 <v ≦ 2), SnO w (0 <w ≦ 2), SnSiO 3 , LiSiO, LiSnO or Cu—Sn alloy.
なお、他の合金あるいは化合物としては、例えば、リチウム−アルミニウム合金,LiAlMe合金(Meは長周期型周期表における2族の元素,13族および14族の元素からなる群のうちの少なくとも1種を表す),アルミニウム−アンチモン合金あるいは銅−マグネシウム−アンチモン合金が挙げられる。
As other alloys or compounds, for example, a lithium-aluminum alloy, a LiAlMe alloy (Me is at least one member selected from the group consisting of group 2 elements, group 13 and
このような合金あるいは化合物は、例えば、メカニカルアロイング法、または原料を混合して不活性雰囲気下あるいは還元性雰囲気下で加熱処理する方法、メルトスピニング法、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法により得られる。 Such an alloy or compound can be obtained by, for example, a mechanical alloying method, a method in which raw materials are mixed and heat-treated in an inert atmosphere or a reducing atmosphere, a melt spinning method, a gas atomizing method, or a water atomizing method.
更に、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、酸化鉄,酸化ルテニウムあるいは酸化モリブデンなどの酸化物や、あるいはLiN3 などが挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンなどが挙げられる。 Furthermore, as the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, other metal compounds or polymer materials can be cited. Examples of the other metal compounds include oxides such as iron oxide, ruthenium oxide, and molybdenum oxide, and LiN 3. Examples of the polymer material include polyacetylene.
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどよりなる合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の不織布などの無機材料よりなる多孔質膜により構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。
The
セパレータ23には、液状の電解質である電解液が含浸されている。電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。
The
溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エステル、酪酸エステル、あるいはプロピオン酸エステルなどの非水溶媒が挙げられる。溶媒には、1種を単独で用いてもよいが、2種以上混合して用いてもよい。 Examples of the solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4- Non-aqueous solvents such as methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, acetate ester, butyrate ester, or propionate ester can be mentioned. As the solvent, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
電解質塩としては、例えば、LiPF6 ,LiBF4 ,LiClO4 ,LiAsF6 ,LiB(C6 H5 )4 ,CH3 SO3 Li,CF3 SO3 Li,LiClあるいはLiBrなどのリチウム塩が挙げられる。電解質塩には、1種を単独で用いてもよいし、2種以上混合して用いてもよい。 Examples of the electrolyte salt include lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiCl, or LiBr. . As the electrolyte salt, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
電解液は、更に、フッ化ベンゼンを含んでいる。フッ化ベンゼンとしては、例えば化1に示したジフルオロベンゼン,化2に示したトリフルオロベンゼン,化3に示したテトラフルオロベンゼン,あるいは化4に示したペンタフルオロベンゼンが好ましい。容量を高く保ちつつ、サイクル特性を向上させることができるからである。特に、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物を用いた場合に、高い効果が得られる。これらは1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。 The electrolytic solution further contains fluorinated benzene. As the fluorinated benzene, for example, difluorobenzene shown in Chemical Formula 1, trifluorobenzene shown in Chemical Formula 2, tetrafluorobenzene shown in Chemical Formula 3, or pentafluorobenzene shown in Chemical Formula 4 is preferable. This is because the cycle characteristics can be improved while keeping the capacity high. In particular, a high effect can be obtained when a single element, alloy or compound of a metal element or a metalloid element is used as a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium. These may be used alone or in combination of two or more.
これらのフッ化ベンゼンについて具体的に例を挙げれば、化1に示したジフルオロベンゼンとしては、1,2−ジフルオロベンゼン、1,3−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベンゼンが挙げられ、化2に示したトリフルオロベンゼンとしては、1,2,3−トリフルオロベンゼン、1,2,4−トリフルオロベンゼン、1,3,5−トリフルオロベンゼンが挙げられ、化3に示したテトラフルオロベンゼンとしては、1,2,3,4−テトラフルオロベンゼン、1,2,3,5−テトラフルオロベンゼン、1,2,4,5−テトラフルオロベンゼンが挙げられる。中でも、ジフルオロベンゼンでは1,2の置換位のものが好ましく、トリフルオロベンゼンでは1,2,4の置換位のものが好ましく、テトラフルオロベンゼンでは1,2,4,5の置換位のものが好ましい。高い効果が得られるからである。 Specific examples of these fluorinated benzenes include 1,2-difluorobenzene, 1,3-difluorobenzene, and 1,4-difluorobenzene as the difluorobenzene shown in Chemical Formula 1, 1,2,3-trifluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene and 1,3,5-trifluorobenzene are exemplified as the trifluorobenzene shown in FIG. Examples thereof include 1,2,3,4-tetrafluorobenzene, 1,2,3,5-tetrafluorobenzene, and 1,2,4,5-tetrafluorobenzene. Among them, difluorobenzene is preferably substituted at 1,2, substituted trifluorobenzene is preferably substituted at 1,2,4, and tetrafluorobenzene is substituted at 1,2,4,5. preferable. This is because a high effect can be obtained.
フッ化ベンゼンの含有量は、例えば、含まれるフッ化ベンゼンが1種の場合は0.0001質量%以上0.1質量%以下であることが好ましく、特に0.0001質量%以上0.06質量%以下であることが望ましい。また、含まれるフッ化ベンゼンが2種以上の場合はそれぞれについて0.0001質量%以上0.1質量%以下であることが好ましく、特に0.0001質量%以上0.06質量%以下であることが望ましい。この範囲内で高い効果が得られるからである。なお、この場合には構造異性体は別種とする。 The content of fluorinated benzene is, for example, preferably 0.0001% by mass or more and 0.1% by mass or less, particularly 0.0001% by mass or more and 0.06% by mass when one kind of fluorinated benzene is contained. % Or less is desirable. Further, when two or more kinds of fluorinated benzenes are contained, it is preferably 0.0001% by mass or more and 0.1% by mass or less for each, particularly 0.0001% by mass or more and 0.06% by mass or less. Is desirable. This is because a high effect can be obtained within this range. In this case, the structural isomer is a different species.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとする。続いて、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し、正極21を作製する。
First, for example, a positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, and the positive electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like material. A positive electrode mixture slurry is obtained. Subsequently, the positive electrode mixture slurry is applied to the positive electrode current collector 21A and the solvent is dried. Then, the positive electrode active material layer 21B is formed by compression molding using a roll press or the like, and the
次いで、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーとする。続いて、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させたのち、ロールプレス機などにより圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
Next, for example, a negative electrode active material and a binder are mixed to prepare a negative electrode mixture, and the negative electrode mixture is dispersed in a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone to obtain a paste-like negative electrode mixture slurry. And Subsequently, the negative electrode mixture slurry is applied to the negative electrode current collector 22A, and the solvent is dried. Then, the negative electrode active material layer 22B is formed by compression molding using a roll press or the like, and the
次いで、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図1に示した二次電池が完成する。
Next, the
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極活物質層21Bからリチウムイオンが離脱し、電解液を介して負極活物質層22Bに吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。その際、電解液には、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンを含んでいるので、サイクル特性が改善される。 In the secondary battery, when charged, for example, lithium ions are released from the positive electrode active material layer 21B and inserted into the negative electrode active material layer 22B through the electrolytic solution. In addition, when discharging is performed, for example, lithium ions are released from the negative electrode active material layer 22B and inserted into the positive electrode active material layer 21B through the electrolytic solution. At that time, since the electrolytic solution contains difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene or pentafluorobenzene, the cycle characteristics are improved.
このように本実施の形態によれば、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも種を含むようにしたので、高い容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, since the electrolytic solution includes at least a species of the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene and pentafluorobenzene, the cycle is maintained while maintaining a high capacity. Characteristics can be improved.
特に、フッ化ベンゼンの含有量を、含まれるフッ化ベンゼンについて1種ごとにそれぞれ0.0001質量%以上0.1質量%以下とすれば、より高い効果を得ることができる。 In particular, when the content of fluorinated benzene is 0.0001% by mass or more and 0.1% by mass or less for each type of fluorinated benzene contained, higher effects can be obtained.
更に、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質として、金属元素の単体,合金および化合物と、半金属元素の単体,合金および化合物とからなる群のうちの少なくとも1種を用いた場合に、特に高い効果を得ることができる。 Further, when a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium, at least one member selected from the group consisting of simple elements, alloys and compounds of metal elements and simple elements, alloys and compounds of metalloid elements is used. In particular, a particularly high effect can be obtained.
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態に係る二次電池は、負極活物質層22Bが、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極活物質として、金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物を含み、気相法,液相法あるいは焼結法により形成されたことを除き、他は第1の実施の形態の電池と同一の構成,作用および効果を有している。したがって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。
[Second Embodiment]
In the secondary battery according to the second embodiment of the present invention, the negative electrode active material layer 22B has a metal element or a metalloid element as a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium as an electrode reactant. It has the same configuration, operation, and effects as the battery of the first embodiment except that it includes a simple substance, an alloy, or a compound and is formed by a gas phase method, a liquid phase method, or a sintering method. . Therefore, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding component and description of the same part is abbreviate | omitted.
この二次電池では、負極活物質層22Bを気相法,液相法あるいは焼結法で形成することにより、充放電に伴う負極活物質層22Bの膨張・収縮による破壊を抑制することができると共に、負極集電体22Aと負極活物質層22Bとを一体化することができ、負極活物質層22Bにおける電子伝導性を向上させることができるようになっている。また、結着剤および空隙などを低減または排除でき、負極22を薄膜化することもできるようになっている。
In this secondary battery, the negative electrode active material layer 22B is formed by a vapor phase method, a liquid phase method, or a sintering method, so that destruction due to expansion / contraction of the negative electrode active material layer 22B accompanying charge / discharge can be suppressed. At the same time, the anode current collector 22A and the anode active material layer 22B can be integrated, and the electron conductivity in the anode active material layer 22B can be improved. In addition, the binder and voids can be reduced or eliminated, and the
なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法等が利用可能である。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼結法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼結法,反応焼結法あるいはホットプレス焼結法が利用可能である。 As the vapor phase method, for example, a physical deposition method or a chemical deposition method can be used. Specifically, a vacuum deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a laser ablation method, a thermal CVD (Chemical Vapor Deposition) A chemical vapor deposition method) or a plasma CVD method can be used. As the liquid phase method, a known method such as electrolytic plating or electroless plating can be used. As for the sintering method, a known method can be used, for example, an atmosphere sintering method, a reaction sintering method, or a hot press sintering method can be used.
また、負極活物質層22Bは、負極集電体22Aとの界面の少なくとも一部において負極集電体22Aと合金化していることが好ましい。具体的には、界面において負極集電体22Aの構成元素が負極活物質層22Bに、または負極活物質の構成元素が負極集電体22Aに、またはそれらが互いに拡散していることが好ましい。負極活物質層22Bと負極集電体22Aとを強固に接着することができ、充放電に伴い負極活物質層22Bが膨張・収縮しても、負極活物質層22Bが負極集電体22Aから脱落することを抑制することができるからである。この合金化は、負極活物質層22Bを気相法,液相法あるいは焼結法により形成する際に同時に起こることが多いが、更に熱処理が施されることにより、あるいは初期充電時に起こったものでもよい。 The negative electrode active material layer 22B is preferably alloyed with the negative electrode current collector 22A in at least a part of the interface with the negative electrode current collector 22A. Specifically, it is preferable that the constituent element of the negative electrode current collector 22A is diffused in the negative electrode active material layer 22B, the constituent element of the negative electrode active material is diffused in the negative electrode current collector 22A, or they are mutually diffused at the interface. The negative electrode active material layer 22B and the negative electrode current collector 22A can be firmly bonded. Even if the negative electrode active material layer 22B expands and contracts due to charge / discharge, the negative electrode active material layer 22B is separated from the negative electrode current collector 22A. This is because dropping off can be suppressed. This alloying often occurs at the same time when the anode active material layer 22B is formed by a vapor phase method, a liquid phase method or a sintering method, but is caused by further heat treatment or during initial charging. But you can.
なお、負極集電体22Aは、例えばリチウムと金属間化合物を形成しない金属元素の少なくとも1種を含む金属材料により構成されることが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成すると、充放電に伴い膨張および収縮し、構造破壊が起こって、集電性が低下する他、負極活物質層22Bを支える能力が小さくなり負極活物質層22Bが負極集電体22Aから脱落する場合があるからである。リチウムと金属間化合物を形成しない金属元素としては、例えば、銅,ニッケル,チタン,鉄あるいはクロム(Cr)が挙げられる。 The anode current collector 22A is preferably made of a metal material containing at least one metal element that does not form an intermetallic compound with lithium, for example. When an intermetallic compound is formed with lithium, it expands and contracts with charge and discharge, structural destruction occurs, and current collecting performance is reduced. In addition, the ability to support the negative electrode active material layer 22B is reduced, and the negative electrode active material layer 22B becomes a negative electrode. This is because the current collector 22A may fall off. Examples of the metal element that does not form an intermetallic compound with lithium include copper, nickel, titanium, iron, and chromium (Cr).
また、負極集電体22Aは、負極活物質層22Bと合金化する金属元素を含むことが好ましい。リチウムと金属間化合物を形成せず、負極活物質層22Bと合金化する金属元素としては、例えば負極活物質としてケイ素あるいはスズの単体,合金または化合物を用いる場合には、銅,ニッケル,あるいは鉄などが挙げられる。 The negative electrode current collector 22A preferably contains a metal element that forms an alloy with the negative electrode active material layer 22B. As a metal element that does not form an intermetallic compound with lithium and forms an alloy with the negative electrode active material layer 22B, for example, when using a simple substance, alloy, or compound of silicon or tin as the negative electrode active material, copper, nickel, or iron Etc.
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの析出および溶解による容量成分により表される、いわゆるリチウム金属二次電池である。
[Third Embodiment]
The secondary battery according to the third embodiment of the present invention is a so-called lithium metal secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium as an electrode reactant.
この二次電池は、負極活物質層22Bの構成が異なることを除き、他は第1の二次電池と同様の構成および効果を有している。したがって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。 This secondary battery has the same configuration and effects as those of the first secondary battery except that the configuration of the negative electrode active material layer 22B is different. Therefore, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the same code | symbol is attached | subjected to a corresponding component and description of the same part is abbreviate | omitted.
負極活物質層22Bは、充電時に析出したリチウム金属により構成され、組み立て時には存在せず、また、放電時には溶解するものである。すなわち、この二次電池では、負極活物質としてリチウム金属が用いられており、これにより高いエネルギー密度を得ることができるようになっている。 The negative electrode active material layer 22B is made of lithium metal deposited during charging, does not exist during assembly, and dissolves during discharge. That is, in this secondary battery, lithium metal is used as the negative electrode active material, and thereby a high energy density can be obtained.
この二次電池は、負極活物質層22Bを充電により形成することを除き、他は上述したリチウムイオン二次電池と同様にして製造することができる。 This secondary battery can be manufactured in the same manner as the above-described lithium ion secondary battery except that the negative electrode active material layer 22B is formed by charging.
この二次電池では、充電を行うと、例えば、正極21からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して、負極集電体22Aの表面にリチウム金属となって析出し、図2に示したように、負極活物質層22Bを形成する。放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウム金属がリチウムイオンとなって溶出し、電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンを含んでいるので、サイクル特性が改善される。
In this secondary battery, when charged, for example, lithium ions are separated from the
このように本実施の形態では、電解液がジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種を含むようにしたので、負極活物質としてリチウム金属を用い、負極22の容量がリチウムの析出および溶解による容量成分により表される二次電池に用いた場合であっても、高い容量を保ちつつ、サイクル特性を向上されることができる。
As described above, in this embodiment, since the electrolytic solution includes at least one selected from the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene, and pentafluorobenzene, lithium metal is used as the negative electrode active material. Even when the capacity of the
なお、上記二次電池では、負極活物質層22Bが充電時に形成される場合について説明したが、電池の組み立て時に既に負極活物質層22Bを有するように構成してもよい。この場合、上記リチウムイオン二次電池と同様に、負極集電体22Aに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよいが、負極活物質層22Bを集電体としても利用し、負極集電体22Aを削除してもよい。 In the secondary battery, the case where the negative electrode active material layer 22B is formed at the time of charging has been described. However, the negative electrode active material layer 22B may already be provided when the battery is assembled. In this case, similarly to the lithium ion secondary battery, the negative electrode current collector 22A may be provided with the negative electrode active material layer 22B, but the negative electrode active material layer 22B is also used as a current collector, The body 22A may be deleted.
[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施の形態に係る二次電池は、負極の容量が電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるものである。
[Fourth Embodiment]
The secondary battery according to the fourth embodiment of the present invention includes a negative electrode having a capacity component due to insertion and extraction of lithium, which is an electrode reactant, and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium. It is represented by.
この二次電池は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極21の充電容量よりも小さくすることにより、充電の過程において、開回路電圧(すなわち電池電圧)が過充電電圧よりも低い時点で負極22にリチウム金属が析出し始めるようになっていることを除き、他は第1の実施の形態に係る二次電池と同様の構成および効果を有しており、同様にして製造することができる。したがって、図1および図2を参照し、対応する構成要素には同一の符号を付して同一の部分の説明は省略する。
In this secondary battery, the open circuit voltage (that is, the battery voltage) is overcharged in the charging process by making the charging capacity of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium smaller than the charging capacity of the
過充電電圧というのは、電池が過充電状態になった時の開回路電圧を指し、例えば、日本蓄電池工業会(電池工業会)の定めた指針の一つである「リチウム二次電池安全性評価基準ガイドライン」(SBA G1101)に記載され定義される「完全充電」された電池の開回路電圧よりも高い電圧を指す。また換言すれば、各電池の公称容量を求める際に用いた充電方法、標準充電方法、もしくは推奨充電方法を用いて充電した後の開回路電圧よりも高い電圧を指す。例えば、開回路電圧が4.2Vの時に完全充電となる場合には、開回路電圧が0V以上4.2V以下の範囲内の一部においてリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出している。従って、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料とリチウム金属との両方が負極活物質として機能し、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料はリチウム金属が析出する際の基材となっている。 The overcharge voltage refers to the open circuit voltage when the battery is overcharged. For example, the safety of lithium secondary batteries is one of the guidelines established by the Japan Storage Battery Industry Association (Battery Industry Association). Refers to a voltage that is higher than the open circuit voltage of a “fully charged” battery as defined and defined in the “Evaluation Criteria Guidelines” (SBA G1101). In other words, it refers to a voltage higher than the open circuit voltage after charging using the charging method, standard charging method, or recommended charging method used when determining the nominal capacity of each battery. For example, when full charge occurs when the open circuit voltage is 4.2 V, the surface of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium in a part of the open circuit voltage in the range of 0 V to 4.2 V Lithium metal is deposited on the surface. Therefore, in this secondary battery, both the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium and lithium metal function as a negative electrode active material, and the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is lithium metal. It is a base material for precipitation.
この二次電池は、負極22にリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料を用いるという点では従来のリチウムイオン二次電池と同様であり、また、負極22にリチウム金属を析出させるという点では従来のリチウム金属二次電池と同様であるが、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料にリチウム金属を析出させるようにしたことにより、この二次電池では、高いエネルギー密度を得ることができると共に、サイクル特性および急速充電特性を向上させることができるようになっている。
This secondary battery is the same as the conventional lithium ion secondary battery in that a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is used for the
この二次電池では、充電を行うと、正極21からリチウムイオンが離脱し、電解液を介して、まず、負極22に含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。更に充電を続けると、開回路電圧が過充電電圧よりも低い状態において、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の表面にリチウム金属が析出し始める。そののち、充電を終了するまで負極22にはリチウム金属が析出し続ける。次いで、放電を行うと、まず、負極22に析出したリチウム金属がイオンとなって溶出し、電解液を介して、正極21に吸蔵される。更に放電を続けると、負極22中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが離脱し、電解液を介して正極21に吸蔵される。ここでは、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンを含んでいるので、サイクル特性がより改善される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the
このように本実施の形態では、電解液がジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種を含むようにしたので、負極22の容量が、電極反応物質であるリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表される二次電池に用いた場合にも、高い容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができる。 As described above, in the present embodiment, the electrolytic solution includes at least one selected from the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene, and pentafluorobenzene. Cycling characteristics while maintaining a high capacity even when used in secondary batteries that include a capacity component due to insertion and extraction of lithium, which is a substance, and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium. Can be improved.
[第5の実施の形態]
図3は、本発明の第5の実施の形態に係る二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、いわゆるラミネートフィルム型といわれるものであり、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものである。
[Fifth Embodiment]
FIG. 3 shows a configuration of a secondary battery according to the fifth embodiment of the present invention. This secondary battery is a so-called laminate film type, and has a
正極リード31および負極リード32は、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向にそれぞれ導出されており、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されている。
The
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に張り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図4は、図3に示した巻回電極体30のI−I線沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周は保護テープ37により保護されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極33は、正極集電体33Aの片面あるいは両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有しており、負極34も、負極集電体34Aの片面あるいは両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有している。正極33と負極34とは、正極活物質層33Bと負極活物質層34Bとが対向するように配置されている。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の具体的な構成は、第1なしい第4の実施の形態のいずれかにおける正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
The
電解質層36は、保持体に電解液を保持させたいわゆるゲル状の電解質により構成されている。ゲル状の電解質は高いイオン伝導率を得ることができると共に、漏液を防止することができるので好ましい。電解液の構成は、第1の実施の形態と同様である。
The
保持体は、例えば高分子材料により構成されている。高分子材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンあるいはフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体などのフッ素系高分子化合物、ポリエチレンオキサイドあるいはポリエチレンオキサイドを含む架橋体などのエーテル系高分子化合物、またはポリアクリロニトリルなどが挙げられる。特に、酸化還元安定性の観点からは、フッ素系高分子化合物が望ましい。 The holding body is made of, for example, a polymer material. As the polymer material, for example, a fluorine-based polymer compound such as polyvinylidene fluoride or a copolymer of vinylidene fluoride and hexafluoropropylene, an ether-based polymer compound such as polyethylene oxide or a crosslinked product containing polyethylene oxide, or Examples include polyacrylonitrile. In particular, from the viewpoint of redox stability, a fluorine-based polymer compound is desirable.
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、第1ないし第4の実施の形態のいずれかと同様にして正極33および負極34を形成したのち、正極33および負極34のそれぞれに、保持体に電解液を保持させた電解質層36を形成する。次いで、正極集電体33Aの端部に正極リード31を取り付けると共に、負極集電体34Aの端部に負極リード32を取り付ける。続いて、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層したのち、長手方向に巻回して巻回電極体30を形成する。そののち、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図3および図4に示した二次電池が完成する。
First, after forming the
この二次電池は、第1ないし第4のいずれかの実施の形態と同様に作用し、第1ないし第4のいずれかの実施の形態と同様の効果を有する。 This secondary battery operates in the same manner as any one of the first to fourth embodiments, and has the same effect as any one of the first to fourth embodiments.
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
(実施例1−1〜1−10)
図5に示したようなコイン型の二次電池を作製した。この二次電池は、正極51と負極52とをセパレータ53を介して積層し、外装缶54と外装カップ55との間に封入したものである。
(Examples 1-1 to 1-10)
A coin-type secondary battery as shown in FIG. 5 was produced. In this secondary battery, a
まず、炭酸リチウム(Li2 CO3 )と炭酸コバルト(CoCO3 )とを、Li2 CO3 :CoCO3 =0.5:1(モル比)の割合で混合し、空気中において900℃で5時間焼成して、正極活物質としてのリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )を得た。次いで、このリチウム・コバルト複合酸化物(LiCoO2 )91質量部と、導電剤であるグラファイト6質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン3質量部とを混合して正極合剤を調製したのち、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを作製した。次いで、正極合剤スラリーを厚み20μmのアルミニウム箔よりなる正極集電体51Aに塗布し乾燥させたのち圧縮成型して正極活物質層51Bを形成した。そののち、直径15.5mmのペレットに打ち抜き、正極51を作製した。
First, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and cobalt carbonate (CoCO 3 ) are mixed at a ratio of Li 2 CO 3 : CoCO 3 = 0.5: 1 (molar ratio), and 5 ° C. at 900 ° C. in the air. After firing for a time, lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material was obtained. Next, 91 parts by mass of this lithium / cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), 6 parts by mass of graphite as a conductive agent, and 3 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder were mixed to prepare a positive electrode mixture. Thereafter, the mixture was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a positive electrode mixture slurry. Next, the positive electrode mixture slurry was applied to a positive electrode
また、銅粉末50gとスズ粉末50gとを混合し、この混合物を石英ボートに入れ、アルゴンガス雰囲気中において1050℃に加熱し、室温まで放冷した。これにより得られた塊を、アルゴンガス雰囲気でボールミルにて30分間粉砕・分級し、銅−スズ(Cu−Sn)合金粉末を得た。得られた銅−スズ合金粉末について平均粒子径をレーザー回折式粒度分布測定器(堀場製作所製)により測定してところ、10μmであった。次いで、この銅−スズ合金粉末を負極活物質として用い、銅−スズ合金粉末54.5質量部と、人造黒鉛35質量部と、導電剤であるアセチレンブラック0.5質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合して負極合剤を調製したのち、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーを作製した。次いで、銅箔よりなる負極集電体52Aに塗布し乾燥させたのち圧縮成型して負極活物質層52Bを形成した。そののち、直径15.5mmのペレットに打ち抜き、負極52を作製した。
Moreover, 50 g of copper powder and 50 g of tin powder were mixed, this mixture was put into a quartz boat, heated to 1050 ° C. in an argon gas atmosphere, and allowed to cool to room temperature. The lump thus obtained was pulverized and classified in a ball mill for 30 minutes in an argon gas atmosphere to obtain a copper-tin (Cu-Sn) alloy powder. The average particle diameter of the obtained copper-tin alloy powder was measured with a laser diffraction particle size distribution measuring instrument (manufactured by Horiba Seisakusho) and found to be 10 μm. Then, using this copper-tin alloy powder as a negative electrode active material, 54.5 parts by mass of copper-tin alloy powder, 35 parts by mass of artificial graphite, 0.5 parts by mass of acetylene black as a conductive agent, and a binder A negative electrode mixture was prepared by mixing 10 parts by mass of polyvinylidene fluoride, and then dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent to prepare a negative electrode mixture slurry. Next, the negative electrode
更に、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、電解質塩であるLiPF6 を1mol/lとなるように加え、更にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンまたはペンタフルオロベンゼンを加えて電解液を調製した。その際、実施例1−1では1,2−ジフルオロベンゼン、実施例1−2では1,3−ジフルオロベンゼン、実施例1−3では1,4−ジフルオロベンゼン、実施例1−4では1,2,3−トリフルオロベンゼン、実施例1−5では1,2,4−トリフルオロベンゼン、実施例1−6では1,3,5−トリフルオロベンゼン、実施例1−7では1,2,3,4−テトラフルオロベンゼン、実施例1−8では1,2,3,5−テトラフルオロベンゼン、実施例1−9では1,2,4,5−テトラフルオロベンゼン、実施例1−10ではペンタフルオロベンゼンを用いた。 Furthermore, LiPF 6 as an electrolyte salt is added to an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate so as to be 1 mol / l, and further difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene or pentafluorobenzene is added to perform electrolysis. A liquid was prepared. In that case, in Example 1-1, 1,2-difluorobenzene, in Example 1-2, 1,3-difluorobenzene, in Example 1-3, 1,4-difluorobenzene, in Example 1-4, 1, 2,3-trifluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene in Example 1-5, 1,3,5-trifluorobenzene in Example 1-6, 1,2,4 in Example 1-7 3,4-tetrafluorobenzene, 1,2,3,5-tetrafluorobenzene in Example 1-8, 1,2,4,5-tetrafluorobenzene in Example 1-9, and in Example 1-10 Pentafluorobenzene was used.
次いで、外装カップ55に負極52および厚み30μmの微多孔性ポリプロピレンフィルムよりなるセパレータ53をこの順で積層し、この上から電解液を注入し、正極51を入れた外装缶54を被せたのち、外装カップ55および外装缶54の周縁部をガスケット56を介してかしめることにより、直径20mm、高さ2.5mmのコイン型の二次電池を作製した。
Next, after laminating a
また、実施例1−1〜1−10に対する比較例1−1として、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンを含まない電解液を用いたことを除き、また、比較例1−2として、ヘキサフルオロベンゼンを含む電解液を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−10と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。 Further, as Comparative Example 1-1 with respect to Examples 1-1 to 1-10, except that an electrolytic solution not containing difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene and pentafluorobenzene was used, and Comparative Example 1 -2, except that an electrolytic solution containing hexafluorobenzene was used, and coin-type secondary batteries were fabricated in the same manner as in Examples 1-1 to 1-10.
作製した実施例1−1〜1−10および比較例1−1,1−2の二次電池について、充放電を2サイクル行い、この電池を解体して電解液におけるジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびヘキサフルオロベンゼンの含有量を測定した。結果を表1に示す。 For the fabricated secondary batteries of Examples 1-1 to 1-10 and Comparative Examples 1-1 and 1-2, charging and discharging were performed for two cycles, the battery was disassembled, and difluorobenzene, trifluorobenzene, Tetrafluorobenzene and hexafluorobenzene contents were measured. The results are shown in Table 1.
なお、充放電は次のようにして行った。まず、20℃の環境中において、1mAの定電流定電圧充電を上限電圧4.2Vまで行ったのち、1mAの定電流放電を終止電圧2.5Vまで行い、同一の充放電条件で2サイクル行った。 Charging / discharging was performed as follows. First, in a 20 ° C. environment, 1 mA constant current and constant voltage charge is performed up to an upper limit voltage of 4.2 V, then 1 mA constant current discharge is performed up to a final voltage of 2.5 V, and two cycles are performed under the same charge and discharge conditions. It was.
また、これとは別に作製した実施例1−1〜1−10および比較例1−1,1−2の二次電池について初回容量およびサイクル特性を測定した。得られた結果を表1に示す。 In addition, initial capacity and cycle characteristics of the secondary batteries of Examples 1-1 to 1-10 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 produced separately were measured. The obtained results are shown in Table 1.
なお、初回容量は、上記条件で充放電を行うことにより算出した。また、サイクル特性は、上記条件で充放電を行い、1サイクル目の放電容量を100とした場合の100サイクル目の容量維持率(%)を求めた。 The initial capacity was calculated by charging and discharging under the above conditions. The cycle characteristics were obtained by charging and discharging under the above conditions and determining the capacity retention rate (%) at the 100th cycle when the discharge capacity at the first cycle was 100.
表1から分かるように、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンまたはペンタフルオロベンゼンを含む電解液を用いた実施例1−1〜1−10によれば、これらを含まない電解液を用いた比較例1−1よりも、また、ヘキサフルオロベンゼンを含む電解液を用いた比較例1−2よりも初回容量および容量維持率が高かった。 As can be seen from Table 1, according to Examples 1-1 to 1-10 using the electrolytic solution containing difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene or pentafluorobenzene, the electrolytic solution not containing these was used. The initial capacity and the capacity retention rate were higher than those of Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2 using an electrolytic solution containing hexafluorobenzene.
すなわち、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンを含むようにすれば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物を含む場合に、高い容量を保ちつつ、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 That is, if the electrolyte contains difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene, or pentafluorobenzene, the anode material capable of occluding and releasing lithium is a simple element or alloy of a metal element or metalloid element. Alternatively, it was found that the cycle characteristics can be improved while maintaining a high capacity when the compound is contained.
(実施例2−1〜2−5)
電解液における1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量を変化させたことを除き、他は実施例1−5と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。これらの二次電池についても実施例1−5と同様にして1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量、初回容量および容量維持率を求めた。得られた結果を実施例1−5の結果と共に表2に示す。また、1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量と容量維持率との関係について図6に示す。
(Examples 2-1 to 2-5)
A coin-type secondary battery was fabricated in the same manner as in Example 1-5 except that the content of 1,2,4-trifluorobenzene in the electrolytic solution was changed. For these secondary batteries, the content of 1,2,4-trifluorobenzene, the initial capacity and the capacity retention rate were determined in the same manner as in Example 1-5. The obtained results are shown in Table 2 together with the results of Example 1-5. FIG. 6 shows the relationship between the content of 1,2,4-trifluorobenzene and the capacity retention rate.
表2および図6から分かるように、初回容量および容量維持率は、1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量が増加するに伴い大きくなり、極大値を示したのち低下した。 As can be seen from Table 2 and FIG. 6, the initial capacity and the capacity retention rate increased as the content of 1,2,4-trifluorobenzene increased, and decreased after showing the maximum value.
すなわち、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンの含有量を0.0001質量%以上0.1質量%以下とすれば効果的であることが分かった。 That is, it has been found that it is effective if the content of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene or pentafluorobenzene is 0.0001 mass% or more and 0.1 mass% or less.
(実施例3−1〜3−3)
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの等体積混合溶媒に、電解質塩であるLiPF6 を1mol/lとなるように加え、更に1,3−ジフルオロベンゼンおよび1,2,4−トリフルオロベンゼン、または1,4−ジフルオロベンゼンおよび1,2,4−トリフルオロベンゼン、または1,2,4−トリフルオロベンゼンおよび1,3,5−トリフルオロベンゼンを加えた電解液を用いたことを除き、他は実施例1−1〜1−10と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。これらの二次電池についても実施例1−1〜1−10と同様にして1,3−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベンゼン、1,2,4−トリフルオロベンゼンおよび1,3,5−トリフルオロベンゼンの含有量、初回容量および容量維持率を求めた。得られた結果を表3に示す。
(Examples 3-1 to 3-3)
LiPF 6 as an electrolyte salt is added to an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate so as to be 1 mol / l, and 1,3-difluorobenzene and 1,2,4-trifluorobenzene, or 1, Other than using 4-difluorobenzene and 1,2,4-trifluorobenzene, or an electrolyte containing 1,2,4-trifluorobenzene and 1,3,5-trifluorobenzene. Coin-type secondary batteries were produced in the same manner as in Examples 1-1 to 1-10. Also for these secondary batteries, 1,3-difluorobenzene, 1,4-difluorobenzene, 1,2,4-trifluorobenzene and 1,3,5-similar to Examples 1-1 to 1-10. The content of trifluorobenzene, the initial capacity and the capacity retention rate were determined. The obtained results are shown in Table 3.
表3から分かるように、実施例1−1〜1−10と同様の結果が得られた。すなわち、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの2種以上を含む場合にも、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 As can be seen from Table 3, the same results as in Examples 1-1 to 1-10 were obtained. That is, it was found that the cycle characteristics can be improved even when the electrolytic solution contains two or more members selected from the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene, and pentafluorobenzene.
(実施例4−1〜4−3)
負極活物質としてのグラファイト95質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン5質量部とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤スラリーとしたのち、銅箔よりなる負極集電体52Aに均一に塗布して乾燥させ、ロールプレス機で圧縮成型して負極活物質層52Bを形成し、直径15.5mmのペレットに打ち抜いて負極52を作製したことを除き、他は実施例1−5,2−1〜2−5と同様にしてコイン型の二次電池を作製した。
(Examples 4-1 to 4-3)
A negative electrode mixture was prepared by mixing 95 parts by mass of graphite as a negative electrode active material and 5 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder, and this negative electrode mixture was added to N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. After being dispersed to form a negative electrode mixture slurry, it is uniformly applied to a negative electrode
実施例4−1〜4−3に対する比較例4−1として、1,2,4−トリフルオロベンゼンを含まない電解液を用いたことを除き、他は実施例4−1〜4−3と同様にして二次電池を作製した。 As Comparative Example 4-1 with respect to Examples 4-1 to 4-3, except that an electrolytic solution not containing 1,2,4-trifluorobenzene was used, the rest was the same as in Examples 4-1 to 4-3. Similarly, a secondary battery was produced.
実施例4−1〜4−3および比較例4−1の二次電池についても、実施例1−5,2−1〜2−5と同様にして、電解液における1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量,初回容量およびサイクル特性を測定した。得られた結果を表4に示す。また、1,2,4−トリフルオロベンゼンの含有量と容量維持率との関係を図7に示す。 The secondary batteries of Examples 4-1 to 4-3 and Comparative Example 4-1 were also subjected to 1,2,4-trimethyl electrolyte in the same manner as in Examples 1-5 and 2-1 to 2-5. The fluorobenzene content, initial capacity and cycle characteristics were measured. Table 4 shows the obtained results. FIG. 7 shows the relationship between the content of 1,2,4-trifluorobenzene and the capacity retention rate.
表4および図7から分かるように、1,2,4−トリフルオロベンゼンを含む電解液を用いた実施例4−1〜4−3によれば、これを含まない電解液を用いた比較例4−1よりも初回容量および容量維持率が高かった。 As can be seen from Table 4 and FIG. 7, according to Examples 4-1 to 4-3 using the electrolytic solution containing 1,2,4-trifluorobenzene, comparative examples using the electrolytic solution not containing this The initial capacity and the capacity maintenance rate were higher than those of 4-1.
一方、表1,表4,図6および図7から分かるように、実施例4−2による初回容量および容量維持率の改善効果は、負極活物質として銅−スズ合金を用いた実施例1−5に比べて低かった。 On the other hand, as can be seen from Table 1, Table 4, FIG. 6 and FIG. 7, the improvement effect of the initial capacity and the capacity retention rate by Example 4-2 is that of Example 1 using a copper-tin alloy as the negative electrode active material It was lower than 5.
すなわち、電解液にジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンあるいはペンタフルオロベンゼンを含むようにすれば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、炭素材料を用いた場合にも、サイクル特性を向上させることができることが分かった。 That is, if the electrolytic solution contains difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene or pentafluorobenzene, even when a carbon material is used as a negative electrode material capable of inserting and extracting lithium, the cycle It was found that the characteristics can be improved.
また、初回容量および容量維持率の改善効果は、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、金属元素あるいは半金属元素の単体,合金または化合物を用いた場合に、特に高いことが分かった。 In addition, the improvement effect of the initial capacity and the capacity retention ratio is found to be particularly high when a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element is used as a negative electrode material capable of occluding and releasing lithium. It was.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態および実施例では、電極反応物質としてリチウムを用いる電池について説明したが、ナトリウム(Na)あるいはカリウム(K)などの他のアルカリ金属、またはマグネシウムあるいはカルシウム(Ca)などのアルカリ土類金属、またはアルミニウムなどの他の軽金属を用いる場合についても、本発明を適用することができる。その際、負極は、例えば上記実施の形態で説明したように、負極活物質としてその電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な金属元素の単体,合金および化合物と、その電極反応物質を吸蔵および放出することが可能な半金属元素の単体,合金および化合物とからなる群のうちの少なくとも1種を用い、負極の容量は負極活物質がその電極反応物質を吸蔵および放出することによる容量成分を含むように構成することができる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above embodiments and examples, a battery using lithium as an electrode reactant has been described. However, other alkali metals such as sodium (Na) or potassium (K), or alkalis such as magnesium or calcium (Ca) are used. The present invention can also be applied to the case of using an earth metal or another light metal such as aluminum. At that time, for example, as described in the above embodiment, the negative electrode has a simple substance, an alloy and a compound of a metal element capable of inserting and extracting the electrode reactant as the negative electrode active material, and the electrode reactant. And at least one member selected from the group consisting of simple substances, alloys and compounds of metalloid elements that can be released, and the negative electrode capacity is a capacity component caused by the negative electrode active material inserting and extracting the electrode reactant. It can comprise so that it may contain.
加えて、上記実施の形態および実施例では、円筒型の二次電池およびラミネートフィルムなどの外装部材を用いた二次電位について具体的に挙げて説明し、更に上記実施例では、コイン型の二次電池についても説明したが、本発明は、ボタン型、角型などの他の形状を有する二次電池、または積層構造などの他の構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。また、本発明は、二次電池に限らず、一次電池などの他の電池についても同様に適用することができる。 In addition, in the embodiments and examples described above, the secondary potential using an exterior member such as a cylindrical secondary battery and a laminate film will be specifically described, and in the above examples, a coin-type secondary battery will be described. Although the secondary battery has been described, the present invention can be similarly applied to a secondary battery having another shape such as a button type or a square shape, or a secondary battery having another structure such as a laminated structure. . Further, the present invention is not limited to the secondary battery but can be similarly applied to other batteries such as a primary battery.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構、15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17,56…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33,51…正極、21A,33A,51A…正極集電体、21B,33B,51B…正極活物質層、22,34,52…負極、22A,34A,52A…負極集電体、22B,34B,52B…負極活物質層、23,35,53…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム、54…外装缶、55…外装カップ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17, 56 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21 , 33, 51 ... positive electrode, 21A, 33A, 51A ... positive electrode current collector, 21B, 33B, 51B ... positive electrode active material layer, 22, 34, 52 ... negative electrode, 22A, 34A, 52A ... negative electrode current collector, 22B, 34B, 52B ... negative electrode active material layer, 23, 35, 53 ... separator, 24 ... center pin, 25, 31 ... positive electrode lead, 26, 32 ... negative electrode lead, 36 ... electrolyte layer, 37 ... protective tape, 40 ...
Claims (5)
前記電解液は、ジフルオロベンゼン,トリフルオロベンゼン,テトラフルオロベンゼンおよびペンタフルオロベンゼンからなる群のうちの少なくとも1種のフッ化ベンゼンを含むことを特徴とする電池。 A battery comprising an electrolyte solution together with a positive electrode and a negative electrode,
The battery characterized in that the electrolytic solution contains at least one kind of fluorinated benzene in the group consisting of difluorobenzene, trifluorobenzene, tetrafluorobenzene and pentafluorobenzene.
The negative electrode is at least one member selected from the group consisting of simple elements, alloys and compounds of metal elements and simple elements, alloys and compounds of metalloid elements as negative electrode active materials capable of inserting and extracting electrode reactants. The battery according to claim 3, comprising:
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